回抽式三維并聯攪拌摩擦焊技術裝備及產業化概述

張書權 劉邦森 戈軍委 王欽偉 胥鍇

摘要： 文中介紹了并聯攪拌摩擦焊技術裝備的國內外研究現狀，總結了實現復雜結構件三維曲面的攪拌摩擦焊要求。其次概述了回抽式三維并聯攪拌摩擦焊技術裝備，并對回抽機構控制技術、主機頭的設計及銑削/鉆孔/焊接/匙孔消除等一體化集成技術進行了說明。最后從市場需求進行了闡述對回抽式三維并聯攪拌摩擦焊技術裝備產業化前景。

關鍵詞： 回抽式; 并聯攪拌摩擦焊技術裝備; 產業化

中圖分類號： TG 404

Overview and industrialization of three-dimensional parallel friction stir welding technology and equipment

Zhang Shuquan1， Liu Bangsen1， Ge Junwei1， Wang Qinwei1， Xu Kai2

（1. Guizhou Aerospace Tianma Electromechanical Technology Co.， Ltd.， Zunyi 563000， Guizhou， China;2. Anhui Technical College of Mechanical and Electrical Engineering， Wuhu 241000， Anhui， China）

Abstract： Firstly， the research status of parallel friction stir welding （FSW） technology and equipment at home and abroad was introduced， and the requirements of FSW for realizing three-dimensional curved surface of complex structural parts were summarized. Secondly， the technical equipment of three-dimensional parallel friction stir welding with drawback was summarized， at the same time the control technology of drawback mechanism， the design of main engine head and the integrated technology of milling， drilling， welding and keyhole elimination were explained. Finally， the prospect of industrialization of three-dimensional parallel friction stir welding technology and equipment was expounded from market demand.

Key words： ?drawback type; parallel friction stir welding technology and equipment; industrialization

0 前言

隨著國家減重減排、綠色環保等一系列政策的出臺，產品輕量化已經成為時代發展的必然趨勢。因此，鎂/鋁等輕合金高質量高效率的先進制造裝備具有極大的研究價值和廣泛的市場前景。而在輕合金焊接領域，攪拌摩擦焊被譽“三十年來最具創造性”的發明，是一種綠色無污染的固相連接技術，被廣泛應用于航空航天、半導體、軌道交通等領域[1-2]。

常規一維/二維攪拌摩擦焊裝備正在逐步取代傳統的TIG/MIG焊方法，但受限于自身的結構形狀的限制，只能滿足形狀單一、結構簡單的直線或圓弧焊接需求。因此，常規攪拌摩擦焊設備存在兼容性差，較難實現復雜結構件、曲線焊接、匙孔消除等問題。

回抽式三維并聯攪拌摩擦焊技術裝備實現了銑削/鉆孔/焊接/匙孔消除等核心技術的一體化集成功能，能實現復雜結構件的三維曲線焊縫的焊接，滿足焊接質量的特殊要求，大大縮減了匙孔后續消除的一系列繁瑣問題，該技術是傳統二維攪拌焊設備的最佳換代升級產品，具有良好的產業化前景。

1 并聯攪拌摩擦焊技術裝備國內外研究現狀

攪拌摩擦焊技術（Friction stir welding，FSW）由英國焊接研究所（The welding institute，TWI）在1991年發明[3]，起初主要滿足鋁合金的焊接，現已推廣應用到鎂/銅等多種合金材料的焊接。為適應復雜構件曲面焊接的要求，攪拌摩擦焊逐漸由一維向二維/三維方向發展，并聯攪拌摩擦焊技術裝備是攪拌摩擦焊的一個重要發展方向，特別是帶回抽式的三維并聯攪拌摩擦焊技術裝備更是具有廣闊的應用前景。

德國IG公司研發出機器人攪拌摩擦焊系統后，日本川崎重工和日本 FANUC也發布了自動化攪拌摩擦焊裝備系統。美國FSL公司在和瑞典伊薩公司把攪拌摩擦焊接系統成功結合在ABB機器人上，實現了空間復雜曲面的焊接。在車輛制造中經常碰到較為復雜的曲面需要焊接，攪拌摩擦焊與多自由度機器人結合從而實現了較為復雜車體結構的焊接，日本川崎重工已經通過攪拌摩擦焊技術實現車門結構組件的大批量生產。

文獻[4]研制了一種用于大型復雜表面結構的攪拌摩擦焊機器人，剛度高、柔性好、精度高，根據復雜鋁制品異形構件的焊接要求設計了機器人系統。該機器人系統能夠滿足大型復雜表面結構的攪拌摩擦焊要求，與焊接專機相比，該機器人具有更好的柔性和焊接質量，可大大提高大型復雜曲面結構的可制造性。

文獻[5]研究了基于空間曲線的攪拌摩擦焊并聯機器人關鍵技術，開發出的3-TPT 混聯機器人具有剛度大、負載能力強、精度高、動力性能好、工作空間大等一系列優點，可以很好的彌補串聯式焊接設備在進行空間曲線攪拌摩擦焊接時的不足。通過研究了焊接時軸肩下壓量與軸肩半徑之間的關系，在進行空間曲線焊接時對焊頭軌跡進行分析研究;依據空間曲線焊縫焊接工藝要求對3-TPT并聯機器人進行再設計。主要包括頭部微動機構的設計與建模，二自由度數控回轉工作臺的設計與建模，然后將兩者與 3-TPT 并聯機構相結合構成五自由度攪拌摩擦焊并聯機器人。對設計的五自由度攪拌摩擦焊并聯機器人進行了運動學和靜力學研究，同時自主設計了一套用于環形焊縫焊接的專用工裝夾具。

文獻[6]首先介紹了攪拌摩擦焊技術的起源、原理和發展現狀;其次，確定了攪拌摩擦焊機床的整體方案，并進行了建模，對并聯機構進行了分析，得到了運動學正反解和速度雅各比矩陣，并在Adams和 Matlab中驗證了結果的正確性。通過對傳統阻抗控制算法進行穩態誤差分析，在誤差等于零的情況下得到了工件的參數在線估計算法，將傳統的阻抗控制算法和工件的參數在線估計結合起來對攪拌摩擦焊機床進行了柔順控制研究，并在Adams 和MATLAB中進行聯合仿真，驗證了該控制策略的優越性。

為實現復雜曲面的攪拌摩擦焊，國內外學者相繼展開了系列研究，但研究主要集中在并聯機器人攪拌摩擦焊系統上，由于五軸或六軸機器人柔性好，基本可以實現三維曲線焊縫的焊接，但機器人攪拌摩擦焊存在剛性不足、只能焊接薄板等缺點，而對于中厚板的三維曲面的攪拌摩擦焊研究較少，故要實現中厚板三維曲面的焊接必須要求采用并聯三維結構的攪拌摩擦焊專機，并帶有回抽機構以便消除封閉焊縫的匙孔。

2 回抽式三維并聯攪拌摩擦焊技術裝備概述

回抽式三維并聯攪拌摩擦焊技術裝備是由該公司經過多年研發的攪拌摩擦焊專機，先后攻克了多項關鍵核心技術，可以實現中厚板復雜曲面的焊接，下面具體進行介紹。

2.1 回抽式三維并聯攪拌摩擦焊裝備主機頭的設計

基于剛性與減振性能要求的有限元結構優化設計與分析應用結構靜力學和動力學有限元優化手段對主機頭結構件和運動部件進行仿真分析，按照輸入剛性變形、振動響應等約束條件進行結構優化，獲得最優的主機頭結構件和運動部件。主機頭采用三組同步驅動的空間結構，約束剛度高、負載能力強;對稱布置定長拉壓桿件，結構簡單、動態性能更好;球形鉸鏈，承載能力大、可靠性高、便于制造裝配，特別適用于頂鍛力要求較高的攪拌摩擦焊接場合。

2.2 并聯回抽機構控制技術

基于自由度分配方法與支鏈空間布局，設計了結構對稱、受力性能良好的多自由度的并聯模型。采用PMAC集成控制系統，除了具有傳統數控機床的x軸、y軸、z軸之外，利用程序為并聯頭虛擬了一個A軸和一個B軸，通過AB軸的聯動來實現動平臺在并聯頭內任意方向的偏角動作，可實現三維曲面的回抽焊接。

2.3 具有銑削/鉆孔/焊接/匙孔消除等一體化集成技術

回抽式三維并聯攪拌摩擦焊技術裝備采用高精度零部件并集成高精度數控同步控制的最新成果，通過銑刀、鉆頭、焊接主軸及回抽機構等的更換，實現銑削/鉆孔/焊接/匙孔消除等技術，可方便地對焊件進行開坡口、鉆孔等功能，無需移動工件到其它機床上，可提高效率，減少一些不必要的工序。

3 回抽式三維并聯攪拌摩擦焊技術裝備產業化前景

回抽式三維并聯攪拌摩擦焊技術與裝備實現了中厚板復雜空間三維曲線焊縫的焊接，并帶有并聯回抽機構，可滿足輕合金異形復雜構件的全位置攪拌摩擦焊高質量焊接的特殊要求，消除匙孔，滿足焊接質量要求，從市場需求方面進行闡述。

國內攪拌摩擦焊裝備的市場已經經歷了18年的發展，市場需求趨于穩定，進入成熟階段，年需求增長率維持在7%～8%。而客戶的需求則進一步精細化、功能化和定制化。回抽式三維攪拌摩擦焊裝備集成了銑削—焊接—匙孔消除等多種功能，在航空航天領域的鋁合金貯運箱/筒體方面具有廣泛的應用前景，可完全能夠滿足國內鋁合金箱/筒產品的研制及生產需求，除了可焊接鋁合金箱/筒體的縱/環縫之外，尤其是能夠實現鋁合金箱/筒體關鍵部件即馬鞍形導軌支撐座與筒體的空間曲線焊接，由于目前國內各家生產鋁合金箱/筒體的企業，在箱/筒體主結構焊縫的焊接生產中主要采用TIG/MIG自動焊工藝，少部分還使用手工TIG/MIG焊工藝。雖然基本實現自動焊，自動焊的工藝過程仍然是電弧焊，產生弧光輻射、金屬蒸汽、焊縫質量時有缺陷，焊縫質量等級比攪拌摩擦焊低一個等級。因此，面向鋁合金箱/筒體的優質高效批生產需求，應用先進的攪拌摩擦焊工藝能夠完美解決困擾多年的熔焊污染和焊工的職業健康問題，并顯著降低焊接生產成本，實現優質高效綠色焊接生產。此外還可用于特高壓輸電GIS/GIL、特種汽車、半導體、核電等產業的蓬勃發展需求，具有廣闊的市場需求和產業化前景。

4 結束語

（1）目前國內外對三維并聯攪拌摩擦焊技術裝備的研究主要集中在機器人攪拌摩擦焊系統方面，以適應復雜構件曲面焊接的需求，但機器人攪拌摩擦焊剛性不足，只能焊接薄板。

（2）回抽式三維并聯攪拌摩擦焊技術裝備集成了銑削—焊接—匙孔消除等多種功能，具有復雜結構件曲面加工及焊接功能，并能消除匙孔，具有廣闊的市場應用前景，具備良好的產業化基礎，是焊接中厚板復雜構件曲面焊縫的最佳選擇。

參考文獻[1] Mendes N， Neto P， Loureiro A， et al. Machines and control systems for friction stir welding： a review [J]. Materials & Design， 2016， 90： 256-265.

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[3] Thomas W M， Johnson K I， Wiesner C S. Frictionstir welding-recent developments in tool and process technologies [J]. Advanced Engineering Materials， 2003， 5（7）： 485-490.

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[5] 于志華. 基于空間曲線的攪拌摩擦焊并聯機器人關鍵技術研究[D]. 沈陽： 東北大學碩士學位論文， 2016.

[6] 吳彥星. 基于并聯機構的攪拌摩擦焊機床柔順控制研究[D]. 河北秦皇島： 燕山大學碩士學位論文， 2017.